(57)【要約】  画像投射装置は、焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズ２と、可変焦点レンズ２によって集光された光ビームで被投射面１２を走査する走査手段３と、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を測定する距離測定手段９と、可変焦点レンズ２の焦点距離が距離測定手段９にて測定された距離よりも長くなるように可変焦点レンズ２を制御する制御手段４を有する。
2011046035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、
前記可変焦点レンズによって集光された光ビームで被投射面を走査する走査手段と、
前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を測定する距離測定手段と、
前記可変焦点レンズの焦点距離が前記距離測定手段にて測定された距離よりも長くなるように前記可変焦点レンズを制御する制御手段を有する画像投射装置。
【請求項２】
前記距離測定手段は、
前記走査手段からの光ビームによって前記被投射面に表示された表示画像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段からの画像データに基づいて、前記被投射面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、
前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被投射面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、前記撮像手段による撮像時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、前記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する、請求の範囲第１項に記載の画像投射装置。
【請求項３】
前記スペックルコントラスト算出手段は、
前記撮像手段からの画像データに基づいて前記表示画像の各画素の値の平均値を算出する画像平均算出手段と、
前記撮像手段からの画像データに基づいて前記各画素の値の標準偏差を算出する画像標準偏差算出手段と、
前記画像標準偏差算出手段にて算出された標準偏差の値を前記画像平均算出手段にて算出した平均値で割った値を前記スペックルコントラストとして出力する除算手段を有する、請求の範囲第２項に記載の画像投射装置。
【請求項４】
第１の偏光成分の光を透過し、前記第１の偏光成分とは異なる第２の偏光成分の光を反射する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを介して前記第１の偏光成分の光ビームを前記可変焦点レンズに供給するレーザ光源を、さらに有し、
前記偏光ビームスプリッタは、前記可変焦点レンズから入射した光ビームのうち、前記第２の偏光成分の光を前記撮像手段へ向けて反射する、請求の範囲第２項または第３項に記載の画像投射装置。
【請求項５】
前記距離測定手段は、
前記走査手段からの光ビームが前記被投射面で反射された反射光を検出し、該反射光の強度の変化を示す時系列の強度信号を出力する光検出手段と、
前記光検出手段から出力された時系列の強度信号に基づいて、前記被投射面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、
前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被投射面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、前記光検出手段による反射光の検出時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、前記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する、請求の範囲第１項に記載の画像投射装置。
【請求項６】
前記スペックルコントラスト算出手段は、
前記光検出手段からの時系列の強度信号の値を２乗する第１の２乗回路と、
前記第１の２乗回路の出力信号の所定時間あたりの平均値を算出する第１の積分回路と、
前記光検出手段からの時系列の強度信号の前記所定時間あたりの平均値を算出する第２の積分回路と、
前記第２の積分回路の出力信号の値を２乗する第２の２乗回路と、
前記第１の積分回路から出力された前記時系列の強度信号の２乗の時間平均の値から前記第２の２乗回路から出力された前記時系列の強度信号の時間平均の２乗の値を減算する減算回路と、
前記減算回路の出力値を前記第２の２乗回路から出力された前記時系列の強度信号の時間平均の２乗の値で割った値を前記スペックルコントラストの２乗の値として出力する除算器を有する、請求の範囲第５項に記載の画像投射装置。
【請求項７】
第１の偏光成分の光を透過し、前記第１の偏光成分とは異なる第２の偏光成分の光を反射する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを介して前記第１の偏光成分の光ビームを前記可変焦点レンズに供給するレーザ光源を、さらに有し、
前記偏光ビームスプリッタは、前記可変焦点レンズから入射した光ビームのうち、前記第２の偏光成分の光を前記光検出手段へ向けて反射する、請求の範囲第５項または第６項に記載の画像投射装置。
【請求項８】
前記走査手段は、
前記可変焦点レンズからの光ビームを第１の方向に沿って走査する第１の走査手段と、
前記第１の走査手段からの光ビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って走査する第２の走査手段を有し、
前記所定時間が、前記第１の走査手段による前記第１の方向の走査線１本分の走査時間の半分の時間である、請求の範囲第５項から第７項のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記可変焦点レンズの焦点距離とレーリー長との対応関係を示すレーリー長対応情報を保持しており、前記可変焦点レンズの焦点距離を変更する場合に、前記レーリー長対応情報を参照し、変更後の焦点距離と前記距離測定手段で取得した距離との差分がその変更後の焦点距離におけるレーリー長により規定される範囲内になるように、前記可変焦点レンズの焦点距離を決定する、請求の範囲第１項から第８項のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項１０】
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被投射面を走査して画像を表示する画像投射方法であって、
前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を測定し、該測定された距離よりも長い焦点距離を前記可変焦点レンズに設定する、画像投射方法。
【請求項１１】
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、
前記可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査する走査手段と、
前記光ビームによって走査された被検出面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段からの画像データに基づいて、前記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、
前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被検出面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、前記撮像手段による撮像時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、前記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被検出面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する、距離測定装置。
【請求項１２】
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査して、該光ビームによって走査された被検出面を撮像し、
前記撮像により得られた画像データに基づいて、前記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出し、
前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被検出面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持したテーブルを参照し、前記撮像時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、算出した前記スペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被検出面までの距離を計算する、距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガウスビーム（例えばレーザ光）等の光ビームで被投射面上を走査して画像を表示する画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、画像信号に応じて変調された光ビームで被照射面上を走査することで画像を表示する画像表示装置が記載されている。この画像表示装置は、光源からの光ビームを集光する集光光学系と、この集光光学系で集光した光ビームを被投射面に向けて反射する反射ミラーを備えた走査部とを有する。【０００３】
集光光学系は、反射ミラーと被投射面との中間位置よりも反射ミラーから遠い位置においてビームウェストを形成する。これにより、走査部の反射ミラー上でのビーム径を小さくでき、かつ、被投射面上でのビーム径の拡大を抑制することができるので、反射ミラーの小型化および高精細な画像表示を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２１５３８号公報
【発明の概要】
【０００５】
レーザ光で被投射面上を走査して画像を表示する場合、レーザ光のコヒーレンスに起因するスペックルと呼ばれる斑点上のノイズが生じる。スペックルは、表示画像を観察する時に目障りであり、画質を低下させてしまう。
【０００６】
特許文献１に記載の画像表示装置においては、走査部の反射ミラーと被照射面との間であって、その中間位置よりも反射ミラーから遠い位置において、ビームウェストを形成する。この構成においても、上記のスペックルが発生し、それにより画質が低下する。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題を解決し、スペックルを確実に低減することができる、画像投射装置および画像投射方法を提供することにある。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一態様による画像投射装置は、
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、
前記可変焦点レンズによって集光された光ビームで被投射面を走査する走査手段と、
前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を測定する距離測定手段と、
前記可変焦点レンズの焦点距離が前記距離測定手段にて測定された距離よりも長くなるように前記可変焦点レンズを制御する制御手段を有する。
【０００９】
本発明の一態様による画像投射方法は、
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被投射面を走査して画像を表示する画像投射方法であって、
前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を測定し、該測定された距離よりも長い焦点距離を前記可変焦点レンズに設定する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】平行光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。
【図１Ｂ】発散光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。
【図１Ｃ】収束光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。
【図２Ａ】集光ビームで被投射面を走査する場合の波面の状態を説明するための模式図である。
【図２Ｂ】被投射面をビームウェストの前後に移動した場合のスペックルコントラストの変化を示す特性図である。
【図３】本発明の第１の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。
【図４】図３に示す画像投射装置の可変焦点レンズの一例を示す模式図である。
【図５Ａ】図３に示す画像投射装置の可変焦点レンズの別の例を示す模式図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示す可変焦点レンズにて形成されるフレネルゾーンプレートのパターンの一例を示す模式図である。
【図６】図３に示す画像投射装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第３の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。
【図９】図８に示す画像投射装置のスペックルコントラスト算出手段の構成を示すブロック図である。
【図１０】図８に示す画像投射装置における可変焦点レンズからの光ビームのビームウェストの位置を示す模式図である。
【図１１】本発明の他の実施形態である画像投射装置の全体の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示す画像投射装置に用いられる赤色レーザ光源や青色レーザ光源の構成を示すブロック図である。
【図１３Ａ】図１１に示す画像投射装置に用いられる緑色レーザ光源の構成を示すブロック図である。
【図１３Ｂ】図１１に示す画像投射装置に用いられる緑色レーザ光源の別の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００１１】
２  可変焦点レンズ
３  走査手段
４  制御手段
５  撮像手段
５ａ  画像センサ
５ｂ  撮像レンズ
６  画像メモリ
７  スペックルコントラスト算出手段
７ａ  画像平均算出手段
７ｂ  画像標準偏差算出手段
７ｃ  除算手段
８  ルックアップテーブル手段
９  距離測定手段
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本願の発明者は、スペックルの発生要因を解析し、以下のような新たな知見を得た。
【００１３】
図１Ａは、平行光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。平行光１００が散乱物体１０１に到達すると、散乱物体１０１にて２次球面波が発生する。この２次球面波と平行光１００の波面との合成波面により規定される波数ベクトルの方向は、発散する方向となり、波数ベクトルの分散も大きくなる。波数ベクトルの分散が大きいほどスペックルが大きくなる。
【００１４】
図１Ｂは、発散光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。発散光１１０が散乱物体１１１に到達すると、散乱物体１１１にて２次球面波が発生する。この２次球面波と発散光１１０の波面との合成波面により規定される波数ベクトルの方向は、図１Ａに示した場合よりもさらに発散（拡散）する方向となる。この場合の波数ベクトルの分散は、図１Ａに示した場合よりも大きくなるため、スペックルはさらに大きくなる。
【００１５】
図１Ｃは、収束光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。収束光１２０が散乱物体１２１に到達すると、散乱物体１２１にて２次球面波が発生する。この２次球面波と収束光１２０の波面の合成波面により規定される波数ベクトルはほぼ平行となる。この場合の波数ベクトルの分散は、図１Ａおよび図１Ｂに示した場合よりも小さいため、スペックルは小さくなる。
【００１６】
図１Ａ〜図１Ｃから分かるように、スペックルを低減するためには、収束光で被投射面（散乱物体）を走査することが望ましい。
【００１７】
しかし、レーザ光を集光し、その集光したビームで被投射面を走査する光走査システムにおいて、当該システムから被投射面までの距離によっては、被投射面に投射されるビームが収束光にならない場合がある。
【００１８】
図２Ａに、集光ビームで被投射面を走査する場合の波面の状態を模式的に示す。
【００１９】
図２Ａに示す系では、レーザ光源２００からのレーザ光を集光レンズ２０１で集光する。走査手段２０２は、集光レンズ２０１からのビームで被投射面２０３を走査する。集光レンズ２０１から出射されたビームは収束球面波２０５として伝搬し、ビームウェスト２０４が形成される位置を境にして、収束球面波２０５から発散球面波２０６に状態が変化する。
【００２０】
被投射面２０３がビームウェスト２０４よりも集光レンズ２０１側に位置する場合は、収束球面波２０５のビームで被投射面２０３を走査することになる。この場合は、収束光で被投射面２０３を走査することになるので、スペックルを低減することができる。
【００２１】
一方、被投射面２０３がビームウェスト２０４よりも集光レンズ２０１から遠い側に位置する場合は、発散球面波２０６のビームで被投射面２０３を走査することになる。この場合は、発散光で被投射面２０３を走査することになるので、スペックルを低減することは困難である。
【００２２】
図２Ｂに、ビームウェストの位置を基準として、被投射面をその前後に移動した場合のスペックルコントラスト（％）の変化を示す。スペックルコントラストは、スペックルの度合いを示すものであって、具体的には、スペックル画像についての、画素の値の標準偏差値を各画素の平均値で割った値である。図２Ｂにおいて、横軸は、ビームウェストからの距離（ｍｍ）を示す。ビームウェストの位置が０とされ、集光レンズ２０１側がマイナスで示され、その反対側がプラスで示されている。また、集光レンズ２０１の焦点距離を３００ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍとした場合のスペックルコントラスト変化がそれぞれ破線（短）、実線、破線（長）で示されている。
【００２３】
図２Ｂから分かるように、被投射面がビームウェストの位置よりも集光レンズ側に位置する場合は、スペックルコントラストが低減する。この場合、被投射面が集光レンズ側に近ければ近いほど、スペックルコントラストが低減する。また、焦点距離が短いほど、スペックルコントラストが低減する。
【００２４】
一方、被投射面がビームウェストの位置よりも集光レンズから遠くなる側に位置する場合は、スペックルコントラストが増大する。この場合、被投射面がビームウェストの位置から離れれば離れるほど、スペックルコントラストが増大する。また、焦点距離が短いほど、スペックルコントラストが増大する。
【００２５】
したがって、レーザ光（ガウシアンビーム）で被投射面を走査する光走査システムにおいて、スペックルコントラストを低減するためには、被投射面をビームウェストの位置よりも集光レンズ側に配置する必要がある。
【００２６】
また、被投射面上におけるビーム径が増大すると、解像度が低下する。したがって、解像度の低下を抑制するためには、被投射面は、ビームウェストの近傍に配置することが望ましい。具体的には、被投射面は、ビームウェストを基準にして、該基準からレーリー長により規定される範囲（ビーム径が√２倍になる距離の範囲）内に配置されることが望ましい。
【００２７】
しかし、被投射面はユーザによって任意の位置に配置されるため、被投射面の配置位置によっては、ビームウェストが被投射面よりも手前側に位置する場合がある。この場合は、収束光によるスペックル低減効果は得られない。
【００２８】
上記の収束光によるスペックル低減効果を確実に得ることができるような技術は、これまで提案されていない。
【００２９】
以下、本発明の実施形態として、被投射面の位置に関係なく、確実に収束光で被投射面（スクリーン）を走査することができる画像投射装置について説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。
【００３１】
図３を参照すると、画像投射装置は、レーザ光源１、可変焦点レンズ２、走査手段３、制御手段４および距離測定手段９を有する。走査手段３は、焦点距離を変化させることが可能な可変焦点レンズ２によって集光された光ビームで被投射面１２を走査する。距離測定手段９は、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を測定する。制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離が距離測定手段９にて測定された距離よりも長くなるように可変焦点レンズ２を制御する。
【００３２】
以下、可変焦点レンズ２、走査手段３、制御手段４および距離測定手段９について具体的に説明する。
【００３３】
レーザ光源１からのレーザ光の進行方向に可変焦点レンズ２、走査手段３が順に配置されている。可変焦点レンズ２は、制御手段４からの制御信号に応じてその焦点距離が変化するように構成されている。可変可能な焦点距離の範囲は、例えば５０ｍｍから無限大である。
【００３４】
図４に、可変焦点レンズ２の一例を示す。図４を参照すると、可変焦点レンズ２は、集光レンズ２０と発散レンズ２１からなるズームレンズよりなる。この可変焦点レンズ２では、制御手段４からの制御信号に応じて集光レンズ２０と発散レンズ２１の間の距離が変化し、その結果、焦点距離が変化する。
【００３５】
図５Ａに、可変焦点レンズ２の別の例を示す。図５Ａを参照すると、可変焦点レンズ２は、例えばマトリクス液晶パネル等の空間光変調器２２よりなる。空間光変調器２２は、制御手段４からの制御信号に応じてフレネルゾーンプレートに対応する画像を形成する。
【００３６】
フレネルゾーンプレートは、透明な輪帯と不透明な輪帯が交互に配置された複数の同心円状の輪帯からなる。フレネルゾーンプレートとしては、透明な輪帯と不透明な輪帯のそれぞれの位相差が０、πである位相型のフレネルゾーンプレートや、透明な輪帯と不透明な輪帯のそれぞれの透過率が１００％、０％である透過型のフレネルゾーンプレートなどがある。
【００３７】
図５Ｂに示すように、フレネルゾーンプレートの焦点距離は、透明な輪帯と不透明な輪帯の間隔および輪帯の幅により決まる。空間光変調器２２では、制御手段４からの制御信号に応じてフレネルゾーンプレートパターンが変化し、それにより焦点距離が連続的または段階的に変化する。図５Ｂに示した焦点距離が小さなフレネルゾーンプレートパターンが表示されると、図５Ａに示したような集光角の大きな第１のビーム２３ａを得る。図５Ｂに示した焦点距離が大きなフレネルゾーンプレートパターンが表示されると、図５Ａに示したような集光角の小さな第２のビーム２３ｂを得る。
【００３８】
上記の他、可変焦点レンズ２として、バリフォーカルレンズ、バリフォーカルミラー、液晶レンズ等を用いることができる。
【００３９】
バリフォーカルレンズは、液体がレンズ形状の空間に充填されたものであり、制御手段４からの制御信号に応じて充填された液体の圧力が変化する。この圧力変化によって、レンズの形状が変化して焦点距離が変化する。
【００４０】
バリフォーカルミラーは、静電力、磁力、圧力等によってミラー形状が変化するものである。制御手段４からの制御信号に応じた静電力（または磁力、圧力）でミラー形状を変化させる。これにより、焦点距離が変化する。
【００４１】
液晶レンズは、レンズ状の空間に液晶を封入したものである。制御手段４からの制御信号に応じて液晶に印加される電圧の大きさが変化する。これにより、レンズ状の空間内の屈折率が変化して焦点距離が変化する。
【００４２】
再び図３を参照すると、距離測定手段９は、撮像手段５、画像メモリ６、スペックルコントラスト算出手段７およびルックアップテーブル手段８を有する。
【００４３】
撮像手段５は、被投射面１２上に表示された画像を撮像するものであって、画像センサ５ａおよび撮像レンズ５ｂを有する。撮像レンズ５ｂとして、例えば焦点距離が１８ｍｍ、瞳径が２．２５ｍｍ、Ｆナンバーが８であるレンズが用いられる。このレンズによれば、波長が５３２ｎｍの光に対する解像限界は５μｍである。
【００４４】
画像センサ５ａは、ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）センサやＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）センサに代表される２次元のエリアセンサよりなる。ここでは、画像センサ５ａは、例えば１０００画素×１０００画素のＣＭＯＳセンサよりなり、その画素ピッチは、例えば２．２μｍである。画素ピッチを撮像レンズ５ｂの解像限界の二分の一以下とすることで、回折による画像への影響を抑制することができる。
【００４５】
画像センサ５ａとして、１次元のラインセンサを用いることもできる。１次元のラインセンサを用いる場合は、撮像レンズ５ｂとしてシリンドリカルレンズを用いてもよい。
【００４６】
画像センサ５ａの出力は、画像メモリ６に供給されている。画像センサ５ａから出力された画像データは、画像メモリ６に格納される。画像メモリ６に格納された画像データは、スペックルコントラスト算出手段７に供給される。
【００４７】
スペックルコントラスト算出手段７は、画像メモリ６からの画像データ（スペックル画像データ）に基づいてスペックルコントラストを算出するものであって、画像平均算出手段７ａ、画像標準偏差算出手段７ｂおよび除算手段７ｃを有する。画像メモリ６からの画像データは、画像平均算出手段７ａおよび画像標準偏差算出手段７ｂに供給される。
【００４８】
画像平均算出手段７ａは、画像メモリ６からの画像データの各画素の値の平均値を算出する。画像平均算出手段７ａの出力（平均値）は除算手段７ｃに供給される。
【００４９】
画像標準偏差算出手段７ｂは、画像メモリ６からの画像データの各画素の値についての標準偏差をとり、その標準偏差値を除算手段７ｃに供給する。
【００５０】
除算手段７ｃは、画像標準偏差算出手段７ｂから供給された標準偏差の値を、画像平均算出手段７ａから供給された平均値で割り、その演算結果をスペックルコントラストの値としてルックアップテーブル手段８に供給する。
【００５１】
ルックアップテーブル手段８は、ビームウェストの位置を基準として、被投射面をその前後に移動した場合のスペックルコントラストの変化を示す特性データを、可変焦点レンズ２の焦点距離毎に保持している。例えば、ルックアップテーブル手段８は、図２Ｂに示した特性データを保持している。ルックアップテーブル手段８は、保持している特性データを参照して、除算手段７ｃから供給されたスペックルコントラストの値に基づいて、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を算出する。
【００５２】
ルックアップテーブル手段８による距離の算出結果は、距離測定手段９から制御手段４に供給される。制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離が距離測定手段９から供給された距離よりも長くなるように可変焦点レンズ２を制御する。
【００５３】
次に、本実施形態の画像投射装置の動作について説明する。
【００５４】
本実施形態の画像投射装置は、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストが被投射面１２よりも奥側に位置するように可変焦点レンズ２を制御することを特徴としており、他の制御は、基本的に既存の画像投射装置の制御と同じである。よって、以下では、その特徴的な制御（焦点距離設定方法）について説明し、他の制御の説明は省略する。
【００５５】
図６は、可変焦点レンズ２の焦点距離設定方法の一手順を示すフローチャートである。
【００５６】
図６を参照すると、まず、制御手段４が、可変焦点レンズ２の焦点距離を初期値に設定し、その設定値を距離測定手段９に通知する（ステップＳ１０）。次に、撮像手段５が、被投射面に表示された画像を撮像する（ステップＳ１１）。撮像した画像データは、画像メモリ６を介してスペックルコントラスト算出手段７に供給される。
【００５７】
次に、スペックルコントラスト算出手段７が、ステップＳ１１で撮像した画像データに基づいてスペックルコントラストを算出する（ステップＳ１２）。このスペックルコントラストの算出処理では、画像平均算出手段７ａが、画像データの各画素の値の平均値を算出するとともに、画像標準偏差算出手段７ｂが、画像データの各画素の値についての標準偏差を算出する。そして、除算手段７ｃが、画像標準偏差算出手段７ｂにて算出された標準偏差の値を、画像平均算出手段７ａにて算出された平均値で割り、その演算結果をスペックルコントラストの値として出力する。
【００５８】
スペックルコントラストが算出されると、ルックアップテーブル手段８が、保持している特性データのうちから、ステップＳ１０で制御手段４から供給された焦点距離の値（初期値）に対応する特性データを特定する。さらに、ルックアップテーブル手段８が、特定した特性データを参照し、ステップＳ１２で算出されたスペックルコントラストの値から可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を取得する（ステップＳ１３）。
【００５９】
最後に、制御手段４が、可変焦点レンズ２の焦点距離がステップＳ１３で算出した距離よりも長くなるように可変焦点レンズ２を制御する（ステップＳ１４）。
【００６０】
例えば、図２Ｂに示した特性データがルックアップテーブル手段８に保持され、可変焦点レンズ２の焦点距離の初期値が３００ｍｍであり、スペックルコントラスト算出手段７で算出したスペックルコントラストの値が２０％である場合は、上記のステップＳ１３、Ｓ１４の処理は、以下のような手順で行われる。
【００６１】
まず、ルックアップテーブル手段８は、図２Ｂに示した特性データから焦点距離が３００ｍｍの特性データを取得する。次に、ルックアップテーブル手段８は、その取得した特性データ（焦点距離３００ｍｍ）を参照して、スペックルコントラストの値２０％に対応する、ビームウェストに対する被投射面位置を特定する。この場合は、被投射面１２がビームウェストの位置から発散側の方向に１５０ｍｍだけ離れた位置にあることを特定することができる。この結果から、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離は４５０ｍｍ（＝３００ｍｍ＋１５０ｍｍ）であることが分かる。
【００６２】
可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離は４５０ｍｍであるので、制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離が４５０ｍｍよりも大きくなるように可変焦点レンズ２を制御する。例えば、制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離を５００ｍｍに設定する。
【００６３】
図６に示した処理は、例えば、画像投射装置の起動時に実行されてもよく、また、画像投射装置の操作部に設けられた特定のボタンを押すことによって実行されてもよい。また、ステップＳ１１〜Ｓ１４の処理を繰り返してもよい。この繰り返しの処理において、ステップＳ１３の距離算出の処理では、前回のステップＳ１４で変更された焦点距離に対応する特性データを参照する。
【００６４】
本実施形態の画像投射装置によれば、ユーザが被投射面１２を任意の位置にくるように画像投射装置を設定した後に、図６に示した処理を実行する。これにより、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストは、必ず被投射面１２よりも奥側に位置することとなり、収束光で被投射面１２を走査することができる。したがって、被投射面の配置位置に関係なく、収束光によるスペックル低減効果を得ることができる。
【００６５】
例えば、走査手段３から被投射面１２までの距離が１００ｍｍから１０００ｍｍの範囲内において、スペックルコントラストが１３％といったスペックルの小さな収束光投射領域を被投射面１２に常時形成することができる。
【００６６】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。
【００６７】
本実施形態の画像投射装置は、距離測定手段９を構成する撮像手段が、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０を介して被投射面１２を撮像するように構成されており、この点が第１の実施形態のものと異なる。その他の構成は、基本的に、第１の実施形態のものと同じであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【００６８】
レーザ光源１からの光ビーム（Ｐ偏光）の進行方向にＰＢＳ１０が設けられている。レーザ光源１からの光ビーム（Ｐ偏光）は、ＰＢＳ１０を透過する。ＰＢＳ１０を透過した光ビーム（Ｐ偏光）の進行方向に、可変焦点レンズ２、走査手段３が順に配置されている。
【００６９】
被投射面１２が拡散面である場合、走査手段３からの光ビーム（Ｐ偏光）が投射された部分からの反射光は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含む。被投射面１２からの反射光（Ｐ偏光＋Ｓ偏光）は、走査手段３、可変焦点レンズ２を順に通過してＰＢＳ１０に到達する。
【００７０】
被投射面１２からの反射光のうちＰ偏光はＰＢＳ１０を透過し、Ｓ偏光は、ＰＢＳ１０にて撮像レンズ５ｂの方向に反射される。
【００７１】
本実施形態では、被投射面１２上の画像は、走査手段３、可変焦点レンズ２、ＰＢＳ１０および撮像レンズ５ｂを介して画像センサ５ａ上に結像される。画像センサ５ａからの画像データは、画像メモリ６を介してスペックルコントラスト算出手段７に供給される。そして、図６に示した処理により、可変焦点レンズ２の焦点距離が可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離より長くなるように調整される。
【００７２】
撮像レンズ５ｂとして、例えば、焦点距離が４ｍｍ、Ｆナンバーが２０のレンズを用いる。撮像レンズ５ｂの入射面側には、絞り５ｃが設けられている。絞り５ｃの直径は、例えば０．２ｍｍである。この場合、波長が５３２ｎｍの光における解像限界は１３μｍである。画像センサ５ｂとして、５００画素×５００画素のＣＭＯＳセンサ（画素ピッチ５μｍ）を用いる。絞り５ｃの直径が０．２ｍｍであるので、可変焦点レンズ２の焦点距離が１０００ｍｍである場合、撮像側から見たＦナンバーは５０００である。この場合の焦点深度は±８００ｍｍであるので、撮像レンズ５ｂは、２００ｍｍから１８００ｍｍの範囲内でピントがあった状態を保つことができる。これにより、可変焦点レンズ２の焦点変化に伴って生じる撮像画像のボケを抑制することができる。
【００７３】
また、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果を奏することに加えて、走査系と撮像系を一体化させることにより、画像投射装置の小型化を行うことができる。
【００７４】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。
【００７５】
本実施形態の画像投射装置においては、画像センサ５ａ、画像メモリ６およびスペックルコントラスト算出手段７に代えて、光検出手段であるフォトダイオード５ｄおよびスペックルコントラスト算出手段７０を設けている点が第２の実施形態のものと異なる。その他の構成は、基本的に、第２の実施形態のものと同じであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【００７６】
図９に、スペックルコントラスト算出手段７０の構成を示す。図９を参照すると、スペックルコントラスト算出手段７０は、積分回路７１、７４、２乗回路７２、７３、減算器７５および除算器７６を有する。
【００７７】
フォトダイオード５ｄの出力信号I（ｘ）は、積分回路７１および２乗回路７３に供給されている。積分回路７１は、フォトダイオード５ｄから供給されるI（ｘ）の値の平均ΣI（ｘ）の値を演算する。２乗回路７３は、フォトダイオード５ｄから供給されるI（ｘ）の値を２乗する。積分回路７１の出力は２乗回路７２に供給され、２乗回路７３の出力は積分回路７４に供給されている。
【００７８】
２乗回路７２は、積分回路７１から供給される平均ΣI（ｘ）の値を２乗する。積分回路７４は、２乗回路７３から供給される値I（ｘ）2の平均ΣI（ｘ）2の値を演算する。２乗回路７２の出力（ΣI（ｘ））2は、減算器７５のマイナス側入力および除算器７６に供給されている。積分回路７４の出力ΣI（ｘ）2は減算器７５のプラス側入力に供給されている。
【００７９】
減算器７５は、積分回路７４から供給されたΣI（ｘ）2の値から２乗回路７２から供給された（ΣI（ｘ））2の値を引いた値（分散）を出力する。減算器７５の出力（分散）は、除算器７６に供給されている。
【００８０】
除算器７６は、減算器７５から供給された値（分散）を２乗回路７２から供給された値（ΣI（ｘ））2で割る。この演算結果は、スペックルコントラストを２乗した値に対応する。除算器７６の出力は、図８のルックアップテーブル手段８に供給されている。
【００８１】
ルックアップテーブル手段８では、除算器７６の出力値（スペックルコントラストを２乗した値）の平方根をとった値に基づいて、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を取得する。制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離がルックアップテーブル手段８にて取得した距離（可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離）より長くなるように、可変焦点レンズ２を制御する。
【００８２】
次に、本実施形態の画像投射装置の動作について説明する。
【００８３】
前述の第１および第２の実施形態のものでは、画像センサからの画像データに基づいてスペックルコントラストを算出している。これに対して、本実施形態の画像投射装置では、フォトダイオード５ｄから出力される光強度Ｉ（ｘ）の時系列信号に基づいてスペックルコントラストを２乗した値を算出するようになっており、この点が、第１および第２の実施形態のものと異なる。スペックルコントラストの算出以外の処理は、基本的に、図６に示した処理と同じである。
【００８４】
以下、スペックルコントラストの算出処理について、具体的に説明する。
【００８５】
時刻ｔにおける被投射面１２のビーム位置を、ｘ（ｔ）＝ｖ×ｔ（ｖは走査速度）と定義する。時刻ｔにおいて、フォトダイオード５ｄで検出される光強度Ｉ（ｘ）は被投射面１２上に表示される画像に対応し、その時系列信号はＩ（ｖ×ｔ）となる。
【００８６】
スペックルコントラストの算出処理では、積分回路７１および２乗回路７２による第１の処理と２乗回路７３および積分回路７４による第２の処理が並行して実行される。
【００８７】
第１の処理では、フォトダイオード５ｄから出力された時系列の強度信号Ｉ（ｘ）の平均値（所定時間あたりの平均値）を求め、さらにその２乗の値を求める。一方、第２の処理では、フォトダイオード５ｄから出力された時系列の強度信号Ｉ（ｘ）の２乗の値を求め、さらにその平均値（所定時間あたりの平均値）を求める。
【００８８】
次に、第１の処理の結果（Ｉ（ｘ）の平均の２乗）と第２の処理の結果（Ｉ（ｘ）の２乗の平均）との差分から強度信号Ｉ（ｘ）の標準偏差の２乗の値（分散）を求める。そして、強度信号Ｉ（ｘ）の標準偏差の２乗の値を強度信号Ｉ（ｘ）の平均の２乗で割ることで、スペックルコントラストの２乗の値を求める。
【００８９】
上述のスペックルコントラストの算出処理において、例えば、水平走査時間（水平走査周波数１５ｋＨｚの逆数）が６６．６μｓである場合、積分回路７１、７４の積分時間（上述の説明おける所定時間に対応する）を３３．３μｓとする。具体的には、所定時間を水平走査線１本分の走査時間の半分の時間とする。これにより、水平走査線１本分のスペックルコントラストを算出することができる。この場合のフォトダイオード５ｄの遮断周波数は４０ＭＨｚであり、画像表示のためのクロックは１８．４ＭＨｚの２倍の値以上である。
【００９０】
なお、積分時間（所定時間）は、上記のような値に限定されるものではない。スペックルコントラストを算出することができるのであれば、積分時間（所定時間）として任意の時間を設定してもよい。
【００９１】
本実施形態の画像投射装置において、スペックルコントラスト算出手段は、アナログ演算回路およびデジタル演算回路のいずれの回路で実現してもよい。デジタル演算回路では、フォトダイオード５ｄの出力信号をＡＤコンバータでサンプリングし、そのサンプリングデータに基づいて、スペックルコントラストの２乗の値を求める。
【００９２】
本実施形態の画像投射装置においても、第１および第２の実施形態のものと同様、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストは、必ず被投射面１２よりも奥側に位置することとなるので、収束光で被投射面１２を走査することができる。したがって、被投射面の配置位置に関係なく、収束光によるスペックル低減効果を得ることができる。
【００９３】
また、本実施形態の画像投射装置によれば、例えば、水平走査線毎に、図６に示したステップＳ１１〜Ｓ１４の処理を繰り返し実行することができるので、垂直走査位置（水平走査線毎の位置）に応じて可変焦点レンズ２の焦点距離を制御することができる。したがって、例えば、図１０に示すように、垂直方向に対する被投射面１２の傾きが生じている場合において、垂直走査方向の全体に渡って、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストを必ず被投射面１２よりも奥側に位置するように制御することができる。これにより、表示画像の垂直走査方向全体に渡って、収束光によるスペックル低減効果を得ることができる。
【００９４】
さらに、被投射面１２の一部または全体が曲面となっている場合も、垂直走査方向の全体に渡って、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストを必ず被投射面１２よりも奥側に位置するように制御することができる。よって、表示画像の垂直走査方向全体に渡って、収束光によるスペックル低減効果を得ることができる。
【００９５】
以上説明した各実施形態において、被投射面１２上におけるビーム径が増大すると、解像度が低下する。解像度の低下を抑制するためには、被投射面１２は、ビームウェストの近傍に配置することが望ましい。具体的には、被投射面１２は、ビームウェストを基準にして、該基準からレーリー長により規定される範囲（ビーム径が√２倍になる距離の範囲）内に配置されることが望ましい。
【００９６】
上記の解像度の低下を抑制するために、制御手段４が、可変焦点レンズ２の焦点距離とレーリー長との対応関係を示すレーリー長対応情報を保持し、図６に示したステップＳ１４の焦点距離変更時に、以下のようのような処理を行ってもよい。
【００９７】
制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離がルックアップテーブル手段８で取得した距離よりも長くなるように、可変焦点レンズ２の焦点距離を変更する。この焦点距離の変更において、制御手段４は、レーリー長対応情報を参照し、変更後の焦点距離とルックアップテーブル手段８で取得した距離との差分がその変更後の焦点距離におけるレーリー長により規定される範囲内になるように、可変焦点レンズ２の焦点距離を決定する。
【００９８】
これにより、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストは必ず被投射面１２よりも奥側に位置し、かつ、被投射面１２はその光ビームのレーリー長の範囲内に位置することになる。したがって、解像度の高い表示画像を提供することができる。
【００９９】
特に、第３の実施形態の画像投射装置において、上記のレーリー長に基づく制御を適用すれば、垂直走査方向全体に渡って、ビームウェストが被投射面１２よりも奥側に位置し、かつ、被投射面１２がその光ビームのレーリー長の範囲内に位置することになる。したがって、垂直走査方向全体に渡って、解像度が高く、ピントの合った画像を得ることができる。
【０１００】
以上説明した各実施形態の画像投射装置は、カラー画像を表示するような構成にも適用することができる。
【０１０１】
図１１は、本発明の他の実施形態である画像投射装置の全体の構成を示すブロック図である。図１１を参照すると、画像投射装置は、可変焦点レンズ２、走査手段３、制御手段４、距離測定手段９、光源駆動回路３０、緑色レーザ光源３１、赤色レーザ光源３２、青色レーザ光源３３、反射ミラー３４、およびダイクロイックプリズム３５、３６を有する。可変焦点レンズ２、走査手段３、制御手段４および距離測定手段９は、前述の各実施形態のいずれかにおけるものと同じである。
【０１０２】
光源駆動回路３０は、入力映像信号に応じて、緑色用レーザ変調信号、赤色用レーザ変調信号および青色用レーザ変調信号をそれぞれ生成する。緑色用レーザ変調信号は、緑色レーザ光源３１に供給される。赤色用レーザ変調信号は、赤色レーザ光源３２に供給される。青色用レーザ変調信号は、青色レーザ光源３３に供給される。
【０１０３】
図１２に、赤色レーザ光源３２や青色レーザ光源３３として用いられるレーザ光源の構成を示す。
【０１０４】
図１２に示すレーザ光源は、電流変調回路７１、半導体レーザ７２、コリメート光学系７３を有する。電流変調回路７１は、光源駆動回路３０からのレーザ変調信号（赤色用または青色用）に応じて半導体レーザ７２に流れる電流を制御する。これにより半導体レーザ７２の出力光の強度が変調される。半導体レーザ７２からのレーザ光は、コリメート光学系７３にて平行光束化される。
【０１０５】
半導体レーザ７２として発振波長が６４０ｎｍの半導体レーザを用いたものが赤色レーザ光源３２である。半導体レーザ７２として発振波長が４４０ｎｍの半導体レーザを用いたものが青色レーザ光源３３である。
【０１０６】
図１３Ａに緑色レーザ光源３１の構成を示す。図１３Ａに示すレーザ光源は、駆動回路７４、赤外個体レーザ７５、第２高調波素子７６、音響光学素子７７、コリメート光学系７８および集光光学系７９ａ、７９ｂを有する。
【０１０７】
第２高調波素子７６は、赤外個体レーザ７５から集光光学系７９ａを介して入射する赤外レーザ（１０６４ｎｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）を出力する。第２高調波素子７６からの第２高調波のビームは集光光学系７９ｂを介して音響光学素子７７に入射する。駆動回路７４は、光源駆動回路１０からのレーザ変調信号（緑色用）に応じて音響光学素子７７を駆動する。これにより、第２高調波素子７６からの第２高調波のビームの強度が変調される。音響光学素子７７からのビームは、コリメート光学系７８にて平行光束化される。
【０１０８】
図１３Ｂに緑色レーザ光源３１の別の構成を示す。図１３Ｂに示すレーザ光源は、電流変調回路８０、赤外半導体レーザ８１、集光光学系８２、第２高調波素子８３およびコリメート光学系８４を有する。
【０１０９】
電流変調回路８０は、光源駆動回路１０からのレーザ変調信号（緑色用）に応じて赤外半導体レーザ８１に供給される電流を変調する。赤外半導体レーザ８１からの赤外レーザは、集光光学系８２を介して第２高調波素子８３に入射する。
【０１１０】
第２高調波素子８３は、入射した赤外レーザの第２高調波を出力する。第２高調波素子８３からの第２高調波のビームは、コリメート光学系８４にて平行光束化される。
【０１１１】
図１１を再び参照する。緑色レーザ光源３１からのレーザ光（緑色）の進行方向には反射ミラー３４が設けられており、この反射ミラー３４で反射されたレーザ光（緑色）の進行方向に、ダイクロイックプリズム３５、３６、可変焦点レンズ２、走査手段３がこの順番で順に設けられている。
【０１１２】
ダイクロイックプリズム３５は、緑色レーザ光源３１からのレーザ光（緑色）と赤色レーザ光源３２からのレーザ光（赤色）との交差部に配置されている。ダイクロイックプリズム３５は、緑色レーザ光源３１からのレーザ光（緑色）を透過し、赤色レーザ光源３２からのレーザ光（赤色）を反射する。これにより、レーザ光（緑色）とレーザ光（赤色）が色合成される。
【０１１３】
ダイクロイックプリズム３６は、ダイクロイックプリズム３５からの色合成されたビーム（緑色＋赤色）と青色レーザ光源３３からのレーザ光（青色）との交差部に配置されている。ダイクロイックプリズム３６は、ダイクロイックプリズム３５からの色合成されたビーム（緑色＋赤色）を透過し、青色レーザ光源３３からのレーザ光（青色）を反射する。これにより、ビーム（緑色＋赤色）とレーザ光（青色）が色合成される。
【０１１４】
ダイクロイックプリズム３６からの色合成ビーム（緑色＋赤色＋青色）は、可変焦点レンズ２を介して走査手段３に供給される。
【０１１５】
走査手段３は、水平スキャナおよび垂直スキャナを有する。水平スキャナは、例えば共振型マイクロメカニカル走査素子よりなる。共振型マイクロメカニカル走査素子は、往復走査が可能な素子である。触れ角は±２０度であり、駆動周波数は１５ＫＨｚである。ここでは、駆動周波数１５ＫＨｚでの駆動を可能とするために、共振型マイクロメカニカル走査素子として、直径１４００μｍの矩形ミラーを用いる。
【０１１６】
垂直スキャナは、ガルバノミラーよりなる。ガルバノミラーは、例えば、触れ角±１５度とされており、６０Ｈｚのノコギリ波により駆動される。画像精細度は、水平が６４０画素、垂直が４８０画素のものとした。画面サイズは、投射距離４００ｍｍにおいて、水平が２９０ｃｍ、垂直が２２０ｃｍのものとした。
【０１１７】
レーザ光源は走査手段３と同期させ、画素クロック１８．４ＭＨｚ（５４ｎｓ）の１／８以下の時間単位（例えば６ｎｓ）で発光タイミング・強度の制御を行う。
【０１１８】
赤色レーザ光源３２および青色レーザ光源３３の各変調電流に３００ＭＨｚの高周波電流を重畳することにより、それら光源の波長幅を広げることができる。これにより、赤色レーザ光および青色レーザ光で生じるスペックルコントラストをさらに低減することができる。
【０１１９】
上述したカラー画像投射装置は一例であり、その構成は適宜に変更することができる。例えば、ダイクロイックミラーに代えて、ダイクロイックプリズム、ファイバーカプラ、その他の各種合波光学系を用いてもよい。
【０１２０】
各レーザ光源はファイバーレーザであってもよい。
【０１２１】
レーザの強度変調器として、グレーティング型ＭＥＭＳ変調器、導波路型変調器、電気光学結晶等の各種光変調器を用いてもよい。
【０１２２】
水平走査および垂直走査のための手段として、音響光学素子、電気光学結晶等を用いてもよい。
【０１２３】
水平走査および垂直走査のための手段のビーム偏向部（ミラー等）は、コリメートされたビーム径よりも大きければよい。この条件を満たすのであれば、ビーム偏向部の大きさおよび形状は適宜に変更することができる。
【０１２４】
以上説明した各実施形態は、本発明の一例であり、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。
【０１２５】
例えば、第１から第３の実施形態では、スペックルコントラストに基づいて可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を演算する距離測定手段を用いているが、これに代えて、三角測量を用いた既存の距離測定手段（測距手段）を用いてもよい。
【０１２６】
この距離測定手段（測距手段）は、発光素子と、発光素子からの光を被投射面に向けて投光する投光用レンズと、受光用レンズと、一次元配列撮像素子とを有する。発光素子からの光が被投射面にて反射され、その反射光が受光用レンズを介して一次元配列撮像素子に供給される。
【０１２７】
発光素子からの光により被投射面上に形成された輝点の像が受光レンズを介して一次元配列撮像素子上に結像される。一次元配列撮像素子上における輝点の像の位置から、三角測量の原理により、可変焦点レンズから被投射面までの距離を求める。
【０１２８】
また、光ビームで被投射面１２を走査する場合、被投射面１２の傾きや曲面状態により表示画像に歪が生じる場合がある。この画像歪を抑制するために、第３の実施形態の画像投射装置を以下のような構成としてもよい。
【０１２９】
水平走査線毎に、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離が算出されるので、これら各距離の算出結果に基づいて、垂直方向における被投射面１２の傾きや曲面状態を調べることができる。被投射面１２の傾きや曲面状態に応じて、映像信号に対して上記の画像歪を補正するための処理を行ってもよい。具体的には、距離測定手段９が、水平走査線毎に演算した距離を変調信号生成手段（例えば図１１に示した光源駆動回路）に供給する。変調信号生成手段は、距離測定手段９から供給される水平走査線毎の距離情報に基づいて、垂直方向における被投射面１２の傾きや曲面状態を判定する。変調信号生成手段は、入力映像信号に対して、その判定した被投射面１２の傾きや曲面状態に応じた画像歪を補正するための処理を行う。そして、変調信号生成手段は、その画像歪補正がなされた映像信号に基づいて、レーザ光源を変調するための変調信号を生成する。
【０１３０】
また、第１の実施形態の画像投射装置において、距離測定手段９を図７に示した構成としてもよい。
【０１３１】
各実施形態において、被投射面上に投射または表示される画像は、映像や写真などの画像データだけでなく、文字、図形、表など、電子データに基づいて被投射面上に投射または表示することが可能なものを含む。
【０１３２】
また、各実施形態の画像投射装置において、起動後に、特性データを作成する処理を行ってもよい。具体的には、図１に示した画像投射装置において、所定の入力操作（例えば、特定のボタンを押す。）が行われると、制御手段４が、可変焦点レンズ２の焦点距離を段階的に変化させ、スペックルコントラスト算出手段７が、それぞれの焦点距離について、スペックルコントラスト値を算出する。さらに、スペックルコントラスト算出手段７が、その算出結果に基づいて、可変焦点レンズ２によって集光された光ビームのビームウェストの位置から被投射面１２までの距離の変化に対するスペックルコントラストの変化を示す特性データを作成し、作成した特性データをルックアップテーブル手段８に保持させる。このようにして、実際の被投射面１２に関する特性データをルックアップテーブル手段８に保持させることで、可変焦点レンズ２によって集光された光ビームのビームウェストの位置から被投射面１２までの距離をより正確に算出することができる。被投射面１２となる対象物が他の対象物に変わらない限りは、その特性データを繰り返し使用することができる。
【０１３３】
また、スペックルコントラストは、被投射面１２の状態（凹凸の状態）によって異なるので、特性データは、被投射面１２とされる対象物の種類毎に作成してもよい。この場合は、距離測定装置において、起動後に特性データを選択するための入力操作を行う必要がある。
【０１３４】
なお、被投射面１２とされる対象物を特定の物、例えば画像投射用のスクリーンに限定する場合は、そのスクリーンに関する特性データをルックアップテーブル手段８に予め保持させてもよい。
【０１３５】
本発明は、ラスター走査のもの以外に、ベクトル走査のものにも適用することができる。
【０１３６】
また、各実施形態において、スペックルコントラストに基づいて可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を演算する手段（距離測定装置および距離測定方法）は、本発明の投射画像装置を実現する主要な構成の１つであって、それ自体で、新規な構成を提供するものである。
【０１３７】
距離測定装置では、レーザ光源を被検出物体（面）の照明手段とし、ルックアップテーブル手段から被検出物体（面）の距離を測定する。
【０１３８】
距離測定装置の一態様は、焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、上記可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査する走査手段と、上記光ビームによって走査された被検出面を撮像する撮像手段と、上記撮像手段からの画像データに基づいて、上記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、上記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、上記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から上記被検出面までの距離の変化に対する上記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、上記撮像手段による撮像時に設定されていた上記可変焦点レンズの焦点距離と、上記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、上記可変焦点レンズから上記被検出面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する。
【０１３９】
また、距離測定方法の一手順によれば、焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査して、該光ビームによって走査された被検出面を撮像し、上記撮像により得られた画像データに基づいて、上記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出し、上記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、上記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から上記被検出面までの距離の変化に対する上記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持したテーブルを参照し、上記撮像時に設定されていた上記可変焦点レンズの焦点距離と、算出した上記スペックルコントラストの値とに基づいて、上記可変焦点レンズから前記被検出面までの距離を計算する。
【０１４０】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
【０１４１】
この出願は、２００９年１０月１５日に出願された日本出願特願２００９−２３８０８７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１Ａ】
2011046035.tif 000003
【図１Ｂ】
2011046035.tif 000004
【図１Ｃ】
2011046035.tif 000005
【図２Ａ】
2011046035.tif 000006
【図２Ｂ】
2011046035.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2011046035.tif 000018
【図１３Ａ】
2011046035.tif 000019
【図１３Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年4月11日(2012.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、
前記可変焦点レンズから前記可変焦点レンズによって集光された光ビームが照射される被投射面までの距離を測定する距離測定手段と、
前記可変焦点レンズの焦点距離が前記距離測定手段にて測定された距離よりも長くなるように前記可変焦点レンズを制御する制御手段を有する投射装置。
【請求項２】
前記可変焦点レンズによって集光された光ビームで前記被投射面を走査する走査手段を、さらに有する、請求項１に記載の投射装置。
【請求項３】
前記距離測定手段は、
前記走査手段からの光ビームによって前記被投射面に表示された表示画像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段からの画像データに基づいて、前記被投射面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、
前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被投射面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、前記撮像手段による撮像時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、前記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する、請求項２に記載の投射装置。
【請求項４】
前記スペックルコントラスト算出手段は、
前記撮像手段からの画像データに基づいて前記表示画像の各画素の値の平均値を算出する画像平均算出手段と、
前記撮像手段からの画像データに基づいて前記各画素の値の標準偏差を算出する画像標準偏差算出手段と、
前記画像標準偏差算出手段にて算出された標準偏差の値を前記画像平均算出手段にて算出した平均値で割った値を前記スペックルコントラストとして出力する除算手段を有する、請求項３に記載の投射装置。
【請求項５】
第１の偏光成分の光を透過し、前記第１の偏光成分とは異なる第２の偏光成分の光を反射する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを介して前記第１の偏光成分の光ビームを前記可変焦点レンズに供給するレーザ光源を、さらに有し、
前記偏光ビームスプリッタは、前記可変焦点レンズから入射した光ビームのうち、前記第２の偏光成分の光を前記撮像手段へ向けて反射する、請求項３または４に記載の投射装置。
【請求項６】
前記距離測定手段は、
前記走査手段からの光ビームが前記被投射面で反射された反射光を検出し、該反射光の強度の変化を示す時系列の強度信号を出力する光検出手段と、
前記光検出手段から出力された時系列の強度信号に基づいて、前記被投射面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、
前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被投射面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、前記光検出手段による反射光の検出時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、前記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する、請求項２に記載の投射装置。
【請求項７】
前記スペックルコントラスト算出手段は、
前記光検出手段からの時系列の強度信号の値を２乗する第１の２乗回路と、
前記第１の２乗回路の出力信号の所定時間あたりの平均値を算出する第１の積分回路と、
前記光検出手段からの時系列の強度信号の前記所定時間あたりの平均値を算出する第２の積分回路と、
前記第２の積分回路の出力信号の値を２乗する第２の２乗回路と、
前記第１の積分回路から出力された前記時系列の強度信号の２乗の時間平均の値から前記第２の２乗回路から出力された前記時系列の強度信号の時間平均の２乗の値を減算する減算回路と、
前記減算回路の出力値を前記第２の２乗回路から出力された前記時系列の強度信号の時間平均の２乗の値で割った値を前記スペックルコントラストの２乗の値として出力する除算器を有する、請求項６に記載の投射装置。
【請求項８】
第１の偏光成分の光を透過し、前記第１の偏光成分とは異なる第２の偏光成分の光を反射する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを介して前記第１の偏光成分の光ビームを前記可変焦点レンズに供給するレーザ光源を、さらに有し、
前記偏光ビームスプリッタは、前記可変焦点レンズから入射した光ビームのうち、前記第２の偏光成分の光を前記光検出手段へ向けて反射する、請求項６または７に記載の投射装置。
【請求項９】
前記走査手段は、
前記可変焦点レンズからの光ビームを第１の方向に沿って走査する第１の走査手段と、
前記第１の走査手段からの光ビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って走査する第２の走査手段を有し、
前記所定時間が、前記第１の走査手段による前記第１の方向の走査線１本分の走査時間の半分の時間である、請求項７に記載の投射装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記可変焦点レンズの焦点距離とレーリー長との対応関係を示すレーリー長対応情報を保持しており、前記可変焦点レンズの焦点距離を変更する場合に、前記レーリー長対応情報を参照し、変更後の焦点距離と前記距離測定手段で取得した距離との差分がその変更後の焦点距離におけるレーリー長により規定される範囲内になるように、前記可変焦点レンズの焦点距離を決定する、請求項１から９のいずれか１項に記載の投射装置。
【請求項１１】
光源を、さらに有し、
前記可変焦点レンズは、前記光源からの光ビームを集光する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の投射装置。
【請求項１２】
入力映像信号に応じた変調信号を生成する光源駆動回路と、
前記光源駆動回路で生成された前記変調信号に基づいて変調された光ビームを出力する光源とを、さらに有し、
前記可変焦点レンズは、前記光源からの光ビームを集光する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の投射装置。
【請求項１３】
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被投射面を走査して画像を表示する画像投射方法であって、
前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を測定し、該測定された距離よりも長い焦点距離を前記可変焦点レンズに設定する、画像投射方法。
【請求項１４】
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、
前記可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査する走査手段と、
前記光ビームによって走査された被検出面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段からの画像データに基づいて、前記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、
前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被検出面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、前記撮像手段による撮像時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、前記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被検出面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する、距離測定装置。
【請求項１５】
光源を、さらに有し、
前記可変焦点レンズは、前記光源からの光ビームを集光する、請求項１４に記載の距離測定装置。
【請求項１６】
焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査して、該光ビームによって走査された被検出面を撮像し、
前記撮像により得られた画像データに基づいて、前記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出し、
前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被検出面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持したテーブルを参照し、前記撮像時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、算出した前記スペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被検出面までの距離を計算する、距離測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０７】
第２高調波素子７６は、赤外個体レーザ７５から集光光学系７９ａを介して入射する赤外レーザ（１０６４ｎｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）を出力する。第２高調波素子７６からの第２高調波のビームは集光光学系７９ｂを介して音響光学素子７７に入射する。駆動回路７４は、光源駆動回路３０からのレーザ変調信号（緑色用）に応じて音響光学素子７７を駆動する。これにより、第２高調波素子７６からの第２高調波のビームの強度が変調される。音響光学素子７７からのビームは、コリメート光学系７８にて平行光束化される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３２】
また、各実施形態の画像投射装置において、起動後に、特性データを作成する処理を行ってもよい。具体的には、図３に示した画像投射装置において、所定の入力操作（例えば、特定のボタンを押す。）が行われると、制御手段４が、可変焦点レンズ２の焦点距離を段階的に変化させ、スペックルコントラスト算出手段７が、それぞれの焦点距離について、スペックルコントラスト値を算出する。さらに、スペックルコントラスト算出手段７が、その算出結果に基づいて、可変焦点レンズ２によって集光された光ビームのビームウェストの位置から被投射面１２までの距離の変化に対するスペックルコントラストの変化を示す特性データを作成し、作成した特性データをルックアップテーブル手段８に保持させる。このようにして、実際の被投射面１２に関する特性データをルックアップテーブル手段８に保持させることで、可変焦点レンズ２によって集光された光ビームのビームウェストの位置から被投射面１２までの距離をより正確に算出することができる。被投射面１２となる対象物が他の対象物に変わらない限りは、その特性データを繰り返し使用することができる。
【国際調査報告】
2011046035.tif 000021
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